第3期
客车技术与研究
BUS&COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.3202157
电动客车高压箱热仿真分析与试验验证
王慧敏1，黄河2，刘正3，刘进程1，娄岗1
(1.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲412007；2.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙410000；
3.长沙开元仪器有限公司，长沙410100)
关键词：电动客车；高压箱；热分析；温度场；电流密度
中图分类号：U469.72；U463.63文献标志码:A文章编号：1006-3331(2021)03-0057-03 Thermal Simulati
on and Thermal Test for PDU of Electric Buses
WANG Huimin1,HUANG He2,LIU Zheng3,LIU Jincheng1,LOU Gang1
(1.CRRC Times Electric Vehicle Co.,Ltd.,Zhuzhou412007,China；
2.Changsha CRRC Intelligent Control and New Energy Technology Co.,Ltd.,Changsha410000,China；
3.Changsha Kaiyuan Instruments Co.,Ltd.,Changsha410100,China)
Abstract:Aiming at the thermal characteristics of the power battery system PDU of electric buses,the authors establish the simulation model to simulate the current density distribution and the temperature distribution•On this basis,they perform the thermal test to verify the accuracy of simulation results,in order to provided a reference for the optimization design and heat dissipation improvement of PDU.
Key words:electric bus；PDU；thermal analysis；temperature field；current density
电动客车作为重要的公共运载工具，其安全性和可靠性尤为重要，而动力电池系统中的高压箱热性能直接制约着电动客车的使用。本文以纯电动客车动力电池系统中的高压箱为对象，对其热性能进行研究。建立CFD数学模型，模拟温度场分布，指导设计优化，在此基础上进行温升试验，验证仿真结果的准确性。
1高压箱构成及其热特性
1.1高压箱功能及构成
高压箱，即动力分配单元，英文简称PDU，是多电池包电池系统动力回路中的重要组成部分。通过控制各配电回路的电流通断，分配电能的使用；并可实时监测和采集各回路电流、电压、温度等数据，确保各回路可靠稳定运行I1-3］。
高压箱主要由箱体、箱盖、汇流排、继电器、传感器、采集板、手动维修开关(MSD)以及保险等部件组成。箱体、箱盖组成外部防护结构，给内部元器件的使用提供可靠、稳定的运行环境；汇流排连通元器件组成各电流回路；继电器控制各回路的通断；传感器及高压采集板采集相应数据并进行信息传输，高压采集板可进行部分逻辑计算，如绝缘检测等；手动维修开关用于检修时断开电路，起到保护作用；保险在过载或短路情况下自动熔断，保护整个系统，防止安全事故发生。高压箱的组成及连接示意图如图1所示。
图1高压箱组成及连接示意图
作者简介：王慧敏(1986—)，女，硕士；工程师;
主要从事锂离子动力电池系统的设计和开发工作
58客车技术与研究2021年6月
1.2高压箱热特性
高压箱作为动力分配单元，其温度特性主要表现在电流通过高压箱内部导电元器件时，其自身的体积电阻和接触部分的接触电阻产生的焦耳热，热量不断积聚使导热元器件温度升高。由于高压箱有箱体、箱盖的保护，防护等级一般在IP67以上，内部空间紧凑、封闭，导电元器件种类多，结构复杂，容易出现热量聚集，导致局部温度持续上升，超过使用温度限制，给元器件的使用寿命和系统安全造成影响［4］°
2高压箱温升仿真及验证
2.1仿真条件
设计条件：环境温度45益，自然散热条件，各连接回路由铜制汇流排、继电器铜导体以及保险铜导线等组成，根据实际情况输入各连接回路负载情况⑸°按照系统放电模式持续通过200A额定电流，通电时间1ho
由于高压箱内部导热材料为紫铜，且其内部封闭，与外界空气对流较少，因此采用铜导体建立其有限元分析模型，并采用稳态导热方法求解飞-7］。紫铜材质参数如下：密度8.89x103kg/m3，比热容394 J/(kg・K)，导热率386.4W/(kg・K)，电阻率1.72x 10-8Q・m⑻。
2.2仿真建模和结果分析天津电动汽车
依照设计输入建立高压箱电-热耦合场分析有限元模型［9-10］，一方面准确地模拟载荷工况下电流行经路径，得到各回路电流密度分布，从而准确地获取电器件发热功率。高压箱内部回路电流密度分布云图仿真结果如图2所示。图仿真结果，如图3所示。
图3内部温度分布云图仿真结果
Temperature（兀）
72.5151
70.1436
67.7721
65.4006
63.0292
60.6577
58.2862
55.9147
48.1262
通过对高压箱进行电-热耦合场仿真分析可知，高压箱内部连接回路在整个过流过程中，最高温度为71.897益，最大温升为26.897K，并可得到最高温度点、最大温升点的发生位置。选取包括最高温度点、最低温度点、最大温升点、最小温升点在内的10个温度对照点，标记序号1-10，位置标记及结果如图3所示。
GB/T37133—2018《电动汽车用高压大电流线束和连接器技术要求》中要求高压连接系统正常工作时，系统各点温升不应大于55Ko而高压箱零部件选型时，选用的零部件非金属材料长期耐温为125益，因此，仿真结果满足高压箱系统长期使用温度要求。
2.3高压箱温升试验验证
为验证仿真分析结果的准确性，进行高压箱实物温升试验，选取仿真分析所选取的10个温度点布置温度传感器口1-12］。试验设计条件相同：将高压箱放置在45益恒温箱中，采用自然冷却方式，过流200A 持续时间1h，采集各点的温升数据，绘制各点随时间变化的温度曲线，如图4所示。
图2电流密度分布云图仿真结果(单位:A/m3)77
72
67
62
57
52
47
42
温度点4
温度点8
温度点7
温度点6
温度点5
温度点9
、温度点3/温度点I。
、温度点1\温度点2
另一方面进行流固耦合热仿真分析和自然散热边界条件下的温度场仿真分析，模拟实际散热环境，得到高压箱温升过程温度最高时刻内部温度分布云
时间
图4高压箱温升试验曲线
试验表明，随着过流时间的持续，高压箱内部采
第3期王慧敏，黄河，刘正，等：电动客车高压箱热仿真分析与试验验证59
温点的温度逐渐升高，温升速率逐渐降低，试验末端温度趋于平衡，整个系统趋向稳态。选取发生最高温度时刻各点的温度值可知，最高点温度为72.1益，最大温升为27.1K；对比各个采样点的温升，与仿真结果相比，最大误差发生在温度点7位置，仿真结果为60.918益，试验结果为60.205益，相差0.713K，最大温升误差为4.69%o考虑到模型与实际产品的差异以及测量误差等，此结果的误差在可接受范围内。
因试验和仿真结果都表明同一时刻某一检测点的温差较大，为27.1K，说明高压箱内局部位置发热明显，可进一步对高压箱内局部位置进行结构及布置优化，降低最大温差，提升整体热稳定性。
3结束语
本文提出了一种研究动力电池系统高压箱热性能的思路和方法。通过仿真分析得到高压箱内部电流密度云图和温度云图，验证设计的合理性，指导设计优化，为系统、深入地研究高压箱、提升电池系统的安全性和可靠性提供参考。
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收稿日期：2020-08-28
彳♦产品推介
3招商局检测车辆技术研究院有限公司］浙江流遍机械润滑有限公司
］厦门金龙联合汽车工业有限公司
彳《客车技术与研究》理事会名录
］福建中科云杉信息技术有限公司
］宇通客车股份有限公司
1上海凯伦电子技术有限公司
（封面）
（封二）
（封三）
（封底）
（前插一）
（前插二）
（中插一）
（中插二）i
（中插三）］
（中插四）］
（后插一）《郑州多元汽车装备有限公司
宁德时代新能源科技股份有限公司
重庆凯瑞测试装备有限公司
北京天海氢能装备有限公司
“2021EB-PAC全国新能源公交车性能评价赛&|
2021CAB-C全国自动驾驶客车营运能力挑战赛”|
赛事邀约（后插二）I
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